Projekt III:

Projekt systemu grzewczego z kotłem na biomasę – elementy bilansu kotła.

Piotr Konarski

Karolina Wszoła

Kamila Wilczyńska

Energetyka Jądrowa

Zadania projektowe:

1. Określenie wymaganej mocy grzewczej urządzenia.

Zapotrzebowanie: 60 W/m²

A = 350 m²

L = 180 dni/rok

Liczba ludzi: 10

CWU = 50 dm³/osobę*dzień

Temp. Wody = 50°C

$$60\ \frac{W}{m^{2}} \times 350{\ m}^{2} = 21\ \text{kW}$$

21 kW × 3600 s = 75, 6 MWh

75, 6 MWh × 24 h × 180 dni = 3, 27 × 10⁵ MJ

CWU:

Q = ΔT × ρ × V × c_p

Q = 83, 8 MJ

Całkowite zapotrzebowanie:

(3,27×10⁵+83,8) MJ

1. Wybór kotła z katalogu producenta

Wybralismy wsadowy piec/kocioł na słomę Ekopal RM-5 40 kW marki MetalERG. Wg strony producenta, kocioł ten nadaje się do ogrzewania pomieszczeń od 250 do 350 m³.

1. Obliczenie zużycia paliwa i jego kosztu w sezonie grzewczym.

W projekcie zakładamy, że będziemy wykorzystywać własną słomę, a długość sezonu grzewczego to 180 dni. Głównym wydatkiem związanym z paliwem będzie koszt jego transportu w pobliże pieca oraz załadunek.

Aby ogrzać całą powierzchnię, potrzeba będzie 3 załadunków na dobę (1 załadunek to ok. 200 kg). Wynika z tego, że potrzebne będzie ok 11 ton słomy. Wg zapewnień producenta taką ilość można zebrać z 3,5 ha pola. 3 załadunki/dzień x 180 dni = 540 załadunków/sezon grzewczy. Koszty związane z paliwem szacujemy na 2000 zł na sezon.

Producent zaleca minimalną pojemność zbiornika akumulacyjnego o pojemności 3000 litrów.

1. Bilans energii instalacji kotła na biomasę.

Ilustracja przedstwia kocioł ze zbiornikiem akumulacyjnemy otoczony osłoną bilansową. Litery A˗D oznaczają elementy układu, natomiast liczby 1-9 oznaczają poszczególne straty.

2. Kocioł

3. Komin

4. Zbiornik akumulacyjny

5. Osłona bilansowa

1. Paliwo

2. Strata kominowa

3. Niecałkowite spalanie w żużlu

4. Niecałkowite spalanie w popiele lotnym

5. Niezupelne spalanie

6. Straty promieniowania

7. Straty przesyłu

8. Strata magazynowania

9. Obciążenie zbiornika

Poza osłoną bilansową znajduje się dodatkowo naczynie zbiorcze.

Obliczenie straty kominowej:

$$\mathbf{S}_{\mathbf{w}}\mathbf{= \delta}\frac{\left( \mathbf{t}_{\mathbf{\text{sp}}}\mathbf{-}\mathbf{t}_{\mathbf{\text{pow}}} \right)\mathbf{+ 0,59}\mathbf{\ }\mathbf{\text{CO}}}{\mathbf{C}\mathbf{O}_{\mathbf{2}}\mathbf{- CO}}$$

δ = 0,85 – współczynnik Siegerta – odczytany z wykresu

t_pow = 20

CO = 5000 ppm

CO₂ = 10%

t_sp = 57

S_w=4%

Wnioski: Maksymalna temperatura wynosi ok. 60, a w normalnych warunkach powinno być ponad 200.  Przez to sprawność jest bardzo mała.

Obliczenie straty niezupełnego spalania:

$$\mathbf{S}_{\mathbf{n}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{V}_{\mathbf{\text{ss}}}\mathbf{Q}_{\mathbf{\text{CO}}}^{\mathbf{r}}\frac{\mathbf{\text{CO}}}{\mathbf{100}}}{\mathbf{Q}_{\mathbf{w}}^{\mathbf{r}}}$$

$$\mathbf{V}_{\mathbf{\text{ss}}}\mathbf{= 4}\mathbf{\ }\frac{\mathbf{m}^{\mathbf{3}}}{\mathbf{\text{kg}}}$$

Q_w^r=15 MJ/kg

Q_CO=12, 65 MJ/m³

S_n=1, 6 %

Obliczenie straty niecałkowitego spalania w żużlu:

$$\mathbf{S}_{\mathbf{z}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{x}\mathbf{A}^{\mathbf{r}}\mathbf{Q}_{\mathbf{C}}^{\mathbf{r}}}{\mathbf{Q}_{\mathbf{w}}^{\mathbf{r}}}\mathbf{\times (}\frac{\mathbf{C}_{\mathbf{z}}}{\mathbf{100 - C}_{\mathbf{z}}}\mathbf{)}$$

x = 4% - udział części lotnych w popiele

C_z = 2, 5 (udział części palnej w popiele wynosi między 1-5)

A^r = 4% - zawartość popiołu

Q_w^r = 15 MJ/kg

Q_C^r = 33 MJ/kg

S_z=0, 1%

Obliczenie straty niecałkowitego spalania w popiele lotnym:

$$\mathbf{S}_{\mathbf{p}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{y}\mathbf{A}^{\mathbf{r}}\mathbf{Q}_{\mathbf{C}}^{\mathbf{r}}}{\mathbf{Q}_{\mathbf{w}}^{\mathbf{r}}}\mathbf{\times}\frac{\mathbf{C}_{\mathbf{p}}}{\mathbf{100 -}\mathbf{C}_{\mathbf{p}}}$$

Cp = 2,5% - zawartość części palnych

y = 1 – x = 0,01

S_p=0, 01%

Straty promieniowania wynoszą ok. 1%

1. Wskaźnik efektywności ekonomicznej inwestycji.

Prosty okres zwrotu inwestycji:

$$SPBP = \frac{K_{i}}{\text{WRK}}$$

K_i – koszty inwestycyjne [zł]

WRK – wartość rocznych korzyści [zł/rok]

Cena kotła: 20 000 zł

Cena paliwa/sezon: 2000 zł

Cena montażu/instalacji: 42 000zł

K_i = 20 000 zł + 42 000 zł = 62 000 zł

Cena zasilania w energię cieplną z ciepłowni rejonowych wynosi ok. 70 zl/GJ. Całkowite zapotrzebowanie na energię cieplną w naszym przypadku to 3, 27 × 10⁵ MJ = 327 GJ.

$$70\frac{zl}{\text{GJ}} \times 327\ GJ = 22\ 890\ zl$$

$$SPBP = \frac{62\ 000\ zl}{22\ 890 - 2000\ zl} = 2,96\ \text{\ roku}$$

Z naszych obliczeń wynika, że inwestycja zwróci się po niecałych 3 latach.

1. Wnioski

Instalacja kotła na biomasę wiąże się z wysokimi kosztami inwestycyjnymi. Jednak przy założeniu, że posiadamy własne paliwo nasza inwestycja zwraca się przez okres 3 lat. Biorąc pod uwagę, że dzięki programom unijnym możemy dostać dotację ok. 30% ceny to nasza inwestycja staje się jeszcze bardziej opłacalna.